牛金鋒，楊紹春

（交通運輸部煙臺打撈局海工船隊，山東 煙臺 264000）

插樁式風電安裝船主要由船體、樁腿和升降系統(tǒng)組成，它將裝運海上風機、海上作業(yè)平臺支持及沉船打撈的各項功能融為一體，裝有高精度的DP定位系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)航行和高效精準海上就位。風電安裝船在工作時，利用升降裝置系統(tǒng)將樁腿固定在海底，并對樁腿進行預壓載后，以保證平臺遇到風暴時樁腿不致下陷；作業(yè)完成后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，之后到達下一個作業(yè)位置。如果船舶在風電施工中升降裝置出現(xiàn)突發(fā)故障，將會直接嚴重影響船舶的安全和項目的施工進度，故插樁式風電安裝船的升降裝置是船舶的最核心的設備之一，在升降裝置突發(fā)故障時，及時采取安全有效的應急措施，本文通過對船舶升降系統(tǒng)應急措施的方案制定和實施做了系統(tǒng)介紹。

1 船舶升降裝置系統(tǒng)組成和技術特征

1.1 升降裝置主要性能參數(shù)

單樁舉升（升降船/壓樁）載荷 5600T（單環(huán)梁模式）

單樁作業(yè)（壓樁）支持載荷 9600T（雙環(huán)梁模式）

單樁主動拔樁能力 4200T（單環(huán)梁拔樁模式）

單樁主動拔樁能力 6800T（雙環(huán)梁拔樁模式）

樁腿直徑 4.8m(純圓，無帖板)

樁腿孔節(jié)距 1.8m

平臺升降速度 ≥24m/h

樁腿升降速度 ≥32m/h

橫傾/縱傾報警角度 0.8°

橫傾/縱傾停機角度 1.5°

1.2 升降裝置主要設備組成

升降系統(tǒng)裝置包括升降機構、液壓設備、電控設備3套主要系統(tǒng)組成。

1.3 升降機構

升降機構結構形式為雙動環(huán)梁式，且動環(huán)梁下置，由上動環(huán)梁、下動環(huán)梁、升降油缸組件、插銷油缸組件、楔形塊等組成。本升降機構中，升降油缸無桿腔上置，通過固樁室油缸耳環(huán)、油缸銷懸掛于固樁室頂部；升降油缸組件下與動環(huán)梁的耳環(huán)相聯(lián)；插銷油缸組件則分別安裝于上動環(huán)梁、下動環(huán)梁的四周，插銷裝配于上動環(huán)梁、下動環(huán)梁內(nèi)部的插銷孔內(nèi)。

1.4 液壓系統(tǒng)

全船升降系統(tǒng)共有4套液壓泵站（HPU），分別在2個泵站艙內(nèi)，每套液壓泵站（HPU）驅(qū)動一套樁腿升降機構。

1.5 電控設備

包括集控臺、泵站控制箱、泵站接線箱、電機啟動柜（每套液壓泵站有4個電機啟動柜，分別控制4臺主油泵電機和2臺插銷油泵電機）、樁邊控制箱。

2 升降裝置功能及說明

2.1 設備功能介紹

連續(xù)型插銷式液壓升降系統(tǒng)為連續(xù)式升降，升降效率高，但結構復雜，特別適用于升降速度要求高且需頻繁升降的各類自升式平臺。升降系統(tǒng)可平穩(wěn)地實現(xiàn)升降平臺、升降樁腿、平臺預壓、拔樁和靜態(tài)自持等功能。

2.2 設備工作原理介紹

本升降系統(tǒng)每個樁腿升降機構包括16套油缸耳環(huán)、2個活動環(huán)梁，每個環(huán)梁中設有4個插銷；油缸耳環(huán)與平臺連接固定，通過油缸銷與升降油缸鉸接；2個活動環(huán)梁分別由8個升降油缸驅(qū)動上下活動?；顒迎h(huán)梁由導向結構導向。升平臺時，升降機構進行如下動作：

第1步：上動環(huán)梁插銷保持插入，上動環(huán)梁上的升降油缸無桿腔建壓工作。

第2步：下動環(huán)梁上的插銷拔出。

第3步：上動環(huán)梁上的油缸頂升平臺，帶動下動環(huán)梁一起上升一個節(jié)距。

第4步：下動環(huán)梁上的插銷插入樁腿銷孔。

第5步：上動環(huán)梁插銷拔出。

第6步：下動環(huán)梁升降油缸頂升平臺上升一個節(jié)距，上動環(huán)梁跟隨平臺一起上升，且在其升降油缸作用下回程，上動環(huán)梁相對樁腿上升2個節(jié)距。

第7步：上插拔銷油缸動作，插銷插入樁腿銷孔。第8步：下動環(huán)梁拔銷。

第9步：上動環(huán)梁升降油缸頂升平臺上升一個節(jié)距，下動環(huán)梁跟隨平臺一起上升，且在其升降油缸作用下回程，下動環(huán)梁相對樁腿上升2個節(jié)距。

第10步：下動環(huán)梁上的插銷油缸動作，插銷插入樁腿銷孔。

重復上述第5～10步，平臺連續(xù)上升。反過來，重復步驟第10～5步，即可實現(xiàn)平臺下降。升樁腿過程原理同降平臺，降樁腿過程原理同升平臺。

平臺預壓時，可采用高效的對角壓載方式。斜對角兩樁腿的升降油缸無桿腔同時建壓，油缸活塞桿伸出，將樁腿壓入海底，直至升降油缸無桿腔壓力達到預壓載對應的壓力值為止。保持數(shù)分鐘后，換另一對角的樁腿進行壓載，直至所有四樁均達到所要求的載荷，拔樁時，全部升降油缸有桿腔同時建壓，對平臺向下施壓，利用浮力將樁腿拔出。升平臺作業(yè)流程見圖1。

圖1 升平臺作業(yè)流程示意圖

3 風電安裝船升降機構故障現(xiàn)象分析及處置案例

2021年，該插樁式風電安裝船準備降船進行拔樁作業(yè)，當船舶平臺下降30～40cm時，1#樁腿上環(huán)梁4#油缸突發(fā)大量漏油，經(jīng)現(xiàn)場檢查和拆檢油缸體，油缸體周徑變大，密封圈損壞，經(jīng)過拆解后詳細測量數(shù)據(jù)見圖2，判斷為油缸脹缸故障，經(jīng)過廠家專業(yè)人員的評估，該受損液壓缸已不具備修復可能，相關船舶專業(yè)技術人員根據(jù)升降裝置的設計能力和結構形式，經(jīng)過充分的數(shù)據(jù)分析和論證，采取減少一個主液壓油缸的應急作業(yè)方案，進行船舶升降壓/拔樁作業(yè)，恢復了船舶正常作業(yè)，避免了長期停船造成的巨額濟損失。

圖2 油缸測量數(shù)據(jù)

4 采取隔離一個油缸對升降裝置的能力分析

4.1 壓樁（升船）作業(yè)時升降裝置受力分析

按照本船升降裝置設計性能參數(shù)，單環(huán)梁單樁舉升載荷5600T，平均到單環(huán)梁8個油缸上每個油缸載荷為700T。1#樁腿上環(huán)梁由于1個油缸有故障，單環(huán)梁舉升能力減少700T，所以1#樁腿舉升載荷為4900T，升降機構中，8只升降油缸缸筒與固樁室頂部連接，8只活塞桿與同一動環(huán)梁相連，固樁室頂及動環(huán)梁都可以看作剛性體，動環(huán)梁插銷插入樁腿銷孔后承載，忽略結構應變，動環(huán)梁沒有產(chǎn)生位移，僅僅是局部應力增大，所以當減少一只升降油缸，頂升載荷線性減少700T，其他工況類似。

4.2 船舶靜態(tài)升時升降裝置受力分析

本船在樁狀態(tài)下，船體總重量在17000T左右，平均到每個樁腿所承載的重量為4250T左右，在升船舉升船體時加上摩擦力，每個樁腿的舉升力正常情況下一般在5000T左右。在升船操作中，讓另外兩對角2#、3#樁腿負載多一點，1#樁腿舉升載荷可以降到4900T以下，理論上滿足升船條件，說明升船作業(yè)是滿足設計要求，降船時，由于摩擦力向上抵消一部分船體重力，樁腿舉升載荷也不會超過4900T，故降船作業(yè)也是滿足設計要求。

4.3 拔樁（降船）作業(yè)升降裝置受力分析

按照本船升降裝置設計性能參數(shù)，單環(huán)梁單樁主動拔樁能力4200T，平均到單環(huán)梁8個油缸上每個油缸載荷為525T，1#樁腿上環(huán)梁由于1個油缸失效，單環(huán)梁拔樁能力減少525T，所以1#樁腿單環(huán)梁拔樁能力為3675T（1#樁腿單環(huán)梁拔樁時，效率稍微有些降低）；本船雙環(huán)梁單樁主動拔樁能力6800T，平均到上下環(huán)梁每個環(huán)梁油缸共承載3400T。1#樁腿上環(huán)梁在1個油缸失效的情況下，依然保持有3675T的拔樁能力，1#樁腿雙環(huán)梁主動拔樁力可以達到6800T，1#樁腿拔樁功能沒有減小，所以拔樁作業(yè)完全滿足設計要求。

4.4 預壓載作業(yè)受力分析

升船前，需要進行壓樁作業(yè)，以保證站船舶樁穩(wěn)安全性。從升降裝置主要性能參數(shù)上看，單環(huán)梁壓樁能力5600T，平均到單環(huán)梁8個油缸上每個油缸載荷為700T，1#樁腿上環(huán)梁由于1個油缸失效，單環(huán)梁壓樁能力減少700T，所以1#樁腿單環(huán)梁壓樁能力為4900T（1#樁腿單環(huán)梁壓樁時，效率稍微有些降低）；本船雙環(huán)梁壓樁作業(yè)單樁支持載荷9600T，平均到上下環(huán)梁每個環(huán)梁油缸共承載4800T，1#樁腿上環(huán)梁在有1個油缸失效的情況下，雙環(huán)梁壓樁能力仍然可以達到9600T，實際船舶預壓載作業(yè)中單樁載荷不超過8000T，平均到上下環(huán)梁每個環(huán)梁油缸共承載不超過4000T，1#樁腿壓樁功能滿足設計要求。

4.5 隔離一個油缸后升降裝置強度分析

（1）動環(huán)梁主體尺寸：內(nèi)圈為16邊形，對邊尺寸約為5070，與樁腿配合部分長度為1600mm，外形為對邊尺寸約為6730的16邊形。主要由DH36、EH420鋼板、厚度為90mm的Q460E鋼焊接而成。按《海上移動平臺入級規(guī)范2016》的規(guī)范，靜載工況下，等效應力安全系數(shù)為1.43；組合工況下等效應力安全系數(shù)為1.11；另外，按公認標準，單件失效時零件的等效應力不大于材料的屈服強度。材料性能如表1所示。

表1 材料性能

（2）材料強度計算。升降油缸失效時，環(huán)梁的變形云圖見圖3，最大變形約為1.954mm；等效應力云圖（EH420部分），最大應力約207.07MPa；DH36部分的等效應力云圖如圖3所示，最大應力約為160.45MPa。計算應力值小于表1所示的單件失效工況下各材料的許用力。

圖3 環(huán)梁的變形云圖

5 隔離失效油缸的實施方案和操作程序

5.1 隔離失效油缸的方案

在減少一個油缸時的升降船和壓/拔樁作業(yè)時，把表1材料性能樁腿上環(huán)梁的失效油缸進行隔離，避免影響上環(huán)梁上下自由移動，失效油缸的活塞跟隨活動環(huán)梁自由移動。

（1）將1#樁載荷轉(zhuǎn)移到下環(huán)梁，上環(huán)梁空載拔銷，將上銷拔銷球閥關閉，按下急停按鈕。（2）關閉1#樁上環(huán)梁油缸有桿腔口和無桿腔進回油球閥。（3）把損壞油缸有桿腔、無桿腔、溢流口的軟管與固樁室內(nèi)環(huán)管連接處斷開，環(huán)管的接頭的用堵頭封堵。（4）防止損壞油缸隨動時油液從端蓋處漏油，將失效油缸內(nèi)的液壓油放空。（5）將失效油缸有桿腔和無桿腔進回油軟管用串油工裝短接。（6）檢查完畢后，打開急停按鈕。

5.2 隔離失效油缸后的操作程序

（1）確認每只油缸的進回油球閥保持完全開啟狀態(tài)。（2）確認液壓泵泵站的運轉(zhuǎn)正常。（3）保持上環(huán)梁承受本樁載荷不動，進行下環(huán)梁空載拔銷，運用回程控制下環(huán)梁往復運動，檢查環(huán)梁動作狀態(tài)是否正常，是否存在傾斜及異常摩擦聲音等的情況。（4）將下環(huán)梁插銷插入后承受本樁載荷不動，進行上環(huán)梁空載拔銷，用回程回路控制上環(huán)梁往復運動，檢查環(huán)梁動作狀態(tài)是否正常，是否存在傾斜不動是否存在傾斜及異常摩擦聲音等的情況。（5）空載檢查完畢后，再升船一段距離，檢查系統(tǒng)是否正常。（6）待檢查和試驗操作正常后，進行升降船和壓/拔樁操作流程。按照上述操作流程，實際的壓/拔樁作業(yè)較為順利，沒有出現(xiàn)1#樁腿上動環(huán)梁產(chǎn)生明顯傾斜和與導向柱之間摩擦較重情況，也沒有出現(xiàn)防爆閥關閉情況，整個作業(yè)過程自動結合手動模式操作完成，自動四樁同步性基本正常，配合手動操作稍加調(diào)整即可。

6 結語

通過本船升降裝置突發(fā)的液壓油缸失效后，對故障的現(xiàn)象進行勘察和判斷，對設備受損情況進行充分評估，未保證船舶的正常作業(yè)和安全，升降裝置應急恢復方案進行驗證和論證，通過對升降船舶時的升/降船、預壓載、拔樁的工況的受力計算分析和環(huán)梁受力部件的材料強度的計算分析，在滿足升降船和壓/拔樁的設計要求的基礎上，在充分的風險評估后，在一個油缸失效的情況下，成功完成應急操作實際升降船舶案例，為同類型風電安裝船的升降系統(tǒng)出現(xiàn)類似的故障可以提供參考和借鑒意義。